search
ruРусский
banner
Дом / Блог / Засуха повторная
Блог
pageSearch
Последние новости

Засуха повторная

Jan 23, 2024Jan 23, 2024

Природная микробиология, том 8, страницы 1480–1494 (2023 г.) Процитировать эту статью

4486 Доступов

1 Цитаты

81 Альтметрика

Подробности о метриках

Воздействие засухи на микробную активность может изменить судьбу углерода в почве и привести к потере накопленного углерода в атмосфере в виде CO2 и летучих органических соединений (ЛОС). Здесь мы исследовали влияние засухи на распределение углерода почвенными микробами в искусственном тропическом лесу «Биосфера 2», отслеживая 13C из специфического 13C-пирувата в CO2 и ЛОС параллельно с мультиомикой. Во время засухи увеличился отток обогащенного 13С ацетата, ацетона и C4H6O2 (диацетила). Эти изменения представляют собой увеличение производства и накопления промежуточных метаболитов, вызванное снижением эффективности углеродного цикла. Одновременно уменьшался отток 13C-CO2, что было обусловлено снижением микробной активности. Однако распределение микробного углерода для получения энергии по сравнению с биосинтезом не изменилось, что означает сохранение потребности в энергии для биосинтеза ЛОС и других путей, вызванных засухой и стрессом. В целом, хотя потери углерода в атмосферу через CO2 уменьшались во время засухи, потери углерода через выброс ЛОС увеличивались, что указывает на вызванные микробами сдвиги в судьбе углерода в почве.

Микроорганизмы регулируют круговорот углерода (C) в земной среде фундаментальными способами1, включая преобразование почвенного углерода в газообразные соединения, которые могут выходить в атмосферу, прежде всего в виде CO2 посредством микробного гетеротрофного дыхания. Однако микробы также производят летучие органические соединения (ЛОС) в качестве промежуточных продуктов метаболизма, сигнальных молекул и вторичных метаболитов2,3. Фактически, летучие метаболиты представляют собой часто упускаемую из виду часть полного метаболома почвы4,5, и хотя их выбросы в атмосферу представляют собой лишь небольшую потерю почвенного углерода, они вносят существенный вклад в химический состав атмосферы, включая образование озона и ядра конденсации облаков6. Таким образом, характеристика опосредованного микробами потока углерода в континууме почва-атмосфера имеет решающее значение для понимания судьбы почвенного углерода и ЛОС в условиях прогнозируемых изменений окружающей среды, включая засуху.

Стресс засухи вызывает хорошо изученные микробные физиологические реакции, которые влияют на метаболизм C, такие как биосинтез защитных молекул (например, осмолитов и внеклеточных полимерных веществ) для сохранения целостности клеток7,8 и концентрации ресурсов9,10. Производство этих биомолекул является энергоемким и может отвлекать ресурсы от синтеза биомассы9, что приводит к снижению стимулирующего рост гетеротрофного дыхания и выбросов CO211,12. Засуха также вызывает изменения в составе и доступности углерода в почве13,14,15, что дополнительно влияет на микробную активность16,17, например, вызывая изменения в использовании субстрата18. В целом, остается неясным, как вызванные засухой сдвиги в микробном метаболизме и составе углерода в почве влияют на распределение углерода в летучих метаболитах, которые могут смягчить стресс, вызванный засухой, у растений19. Более того, содержание влаги в почве оказывает сильное влияние на выбросы ЛОС из почв20, включая тропические почвы21,22, что, возможно, обусловлено воздействием засухи на микробный биосинтез и/или потребление ЛОС. Характеристика изменений в круговороте и распределении микробного углерода особенно важна для почв тропических лесов, где засухи, вероятно, будут возникать чаще и длиться дольше из-за изменения климата23,24.

Обнаружение изменений в микробном круговороте углерода и его распределении в сложных метаболических сетях, охватывающих конкурирующие пути производства и потребления, является сложной задачей. С этой сложностью можно справиться, отслеживая опосредованный микробами поток углерода через почву с использованием меченных изотопами центральных метаболитов. Позиционно-специфичное мечение 13C-глюкозой и/или 13C-пируватом использовалось для отслеживания распределения микробного углерода в CO2 и биомассе в почвенных мезокосмах25,26,27. Однако исследования по засухе на местах и ​​распределению по ЛОС отсутствуют28. Прямую метаболическую информацию, полученную в результате мечения изотопов, можно контекстуализировать с помощью мощных, насыщенных информацией ограничений, обеспечиваемых подходами «омики», которые профилируют содержание генов, экспрессию генов и метаболомы почвенных микробиомов26. Вместе эти подходы могут раскрыть метаболические факторы изменения круговорота и распределения микробного углерода в почвах в условиях засухи.

200 Da) characterized using Fourier-transform-ion-cyclotron-resonance MS (FTICR–MS) (Extended Data Fig. 7b), respectively. Small compounds, mainly representing primary metabolites, that decreased during drought included several amino and keto acids (oxiosocaproate, t-value = −5.09; alanine, t-value = −3.72; formate, t-value = −6.25; glycine, t-value = −3.12; leucine, t-value = −3.16; phenylalanine, t-value = −2.71; pyroglutamate, t-value = −3.09; pyruvate, t-value = −5.31; uracil, t-value = −2.94; and valine, t-value = −3.34; d.f. = 7, P < 0.05, LME), while only trehalose, a common osmolyte produced by bacteria during times of water stress7, increased during drought (t-value = 3.00; d.f. = 7, P = 0.020, LME) (Supplementary Table 1). Drought can induce increased soil concentrations of trehalose14,15, yet the impact on amino acids is variable, with some studies finding an increase13,14,15 and some a decrease44. While we did not detect non-volatile 13C-enriched primary metabolites with 1H-NMR, decreased concentrations of amino acids during drought could indicate decreased C allocation to biosynthesis of biomass or enhanced degradation of proteins./p> 7, mass measurement error <1 ppm and taking into consideration the presence of C, H, O, N, S and P and excluding other elements82. To ensure consistent formula assignment and eliminate mass shifts that could impact formula assignment, all sample peak lists were aligned to each other. The following rules were implemented to further ensure consistent formula assignment: (1) picking formulae with the lowest error between predicted and observed m/z and the lowest number of heteroatoms and (2) requiring the presence of at least four oxygen atoms for the assignment of one phosphorus atom82. The chemical character of thousands of peaks in each sample’s ESI FTICR–MS spectrum was evaluated using van Krevelen diagrams, with biochemical compound classes reported as relative abundance values on the basis of counts of C, H and O as follows: lipids (0 < O:C ≤ 0.3 and 1.5 ≤ H:C ≤ 2.5), unsaturated hydrocarbons (0 ≤ O:C ≤ 0.125 and 0.8 ≤ H:C < 2.5), proteins (0.3 < O:C ≤ 0.55 and 1.5 ≤ H:C ≤ 2.3), amino sugars (0.55 < O:C ≤ 0.7 and 1.5 ≤ H:C ≤ 2.2), lignin (0.125 < O:C ≤ 0.65 and 0.8 ≤ H:C < 1.5), tannins (0.65 < O:C ≤ 1.1 and 0.8 ≤ H:C < 1.5) and condensed hydrocarbons (aromatics; 0 ≤ 200 O:C ≤ 0.95 and 0.2 ≤ H:C < 0.8)78. Analysis of FTICR data was performed using MetaboDirect (v.0.2.7)83 to create profiles of biochemical compound classes and principal component analysis (PCA) plots./p>

Предыдущий: Мульти Следующий: Метаболические последствия ВИЧ/ТБ
Отправить запрос
Отправлять